動(dòng)靜載荷耦合作用下巖石破碎理論及試驗(yàn)研究.pdf

1、機(jī)械破碎巖石是一種連續(xù)、安全、高效的破巖方法。該方法在采礦、巖土等工程應(yīng)用中日益凸現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。為了擴(kuò)大這種方法的應(yīng)用領(lǐng)域，世界各國(guó)正圍繞著硬巖的高效機(jī)械破碎展開深入的研究。然而，過去的理論與試驗(yàn)研究主要集中在單一靜載荷或沖擊載荷下的巖石破裂特征及其相應(yīng)的最優(yōu)加載形式上，針對(duì)動(dòng)靜載荷耦合破巖的研究則很少，而且始終未能解決好硬巖動(dòng)靜組合致裂破碎以及具有多種破巖模式的裝置問題。本文正是基于上述問題對(duì)動(dòng)靜組合載荷耦合破巖進(jìn)行了理論分析和試

2、驗(yàn)研究。 在總結(jié)分析單一動(dòng)態(tài)和靜態(tài)破巖特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)用類似于單一載荷破巖的載荷—侵深、載荷—比能等特征曲線和力學(xué)分析方法，探討了動(dòng)靜耦合加載能提高破巖效果這一思路的可行性；提出了應(yīng)用上述特征曲線確定適用組合載荷下巖石致裂的合理動(dòng)靜載荷觀點(diǎn)。根據(jù)機(jī)具下巖石損傷斷裂特征，探討了動(dòng)靜加載條件下的裂紋始裂和擴(kuò)展能量、累積損傷與沖擊次數(shù)關(guān)系以及不同動(dòng)靜耦合載荷對(duì)巖石損傷斷裂裂紋長(zhǎng)度、破巖體積等的影響，為開展動(dòng)靜態(tài)耦合破巖試驗(yàn)研究奠定了理

3、論基礎(chǔ)。 根據(jù)機(jī)具動(dòng)靜載荷耦合破巖的試驗(yàn)原理與方法，自行設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)多功能動(dòng)靜態(tài)載荷耦合破巖試驗(yàn)裝置，其動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變能級(jí)、變頻率、變速度沖擊，靜載泵壓系統(tǒng)可從垂直、水平方向進(jìn)行不同大小的加載，刀頭夾具裝置可安裝單刀、多刀以及各種不同類型的刀具，測(cè)試系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)可對(duì)動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行量測(cè)和處理。該系統(tǒng)的成功研制對(duì)于研究多種加載模式下的巖石破碎特征及其規(guī)律具有重要意義。 借鑒單一靜載荷或沖擊破巖試驗(yàn)

4、的研究成果，確定了動(dòng)靜耦合載荷破巖試驗(yàn)方案和試驗(yàn)參數(shù)；分析了靜壓切削和沖擊切削過程，建立了切削力學(xué)模型；通過單一動(dòng)、靜載和耦合載荷的破巖試驗(yàn)，結(jié)果表明動(dòng)靜載荷耦合可明顯提高破巖效果，在破裂深度與破碎體積等方面比單一沖擊或壓入具有明顯的優(yōu)勢(shì)。不同的動(dòng)靜載荷耦合存在不同的破巖比能，合理選取動(dòng)靜載荷的比值，可使破巖比能最小，破碎效果達(dá)到最優(yōu)。 根據(jù)沖擊靜壓耦合切削破巖的試驗(yàn)研究，探討了沖擊點(diǎn)間距、切削深度及其比值R對(duì)切削破巖比能耗Es

5、的影響及規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，R和Es呈一定形態(tài)分布，將R控制在一定的范圍內(nèi)，可使沖擊切削破巖達(dá)到良好的效果；沖擊點(diǎn)間距與切削深度的最優(yōu)比值Ropt可以通過收集和量測(cè)剝離下來的巖屑，計(jì)算破碎塊的平均長(zhǎng)度與平均厚度之比值Rv，由Ropt=Rv/2確定。 設(shè)計(jì)和選用了平端式PDC(PolycrystallineDiamondCompact)刀具和YG15硬質(zhì)合金刀具作對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PDC刀具在硬巖破碎中出現(xiàn)三種脆裂破壞形式，硬質(zhì)合金刀

6、具則磨損破壞比較突出。運(yùn)用應(yīng)力波理論、彎曲波能量和信息熵理論綜合分析了刀具的破損機(jī)理，得出了沖擊應(yīng)力波的幅值、入射角(刀具侵入角)、刀—巖接觸間隙以及在接觸面的多次透、反射造成加載—卸載—再加載周而復(fù)始的循環(huán)，對(duì)破巖效果和刀具破壞有很大的影響；建立了切削刀具的彎曲波能量分析式，所得結(jié)論與實(shí)際結(jié)果相符合。 實(shí)測(cè)了巖石破碎過程中的動(dòng)、靜態(tài)信息，分析得出了巖石破碎效果與信息熵有著密切關(guān)系，獲得了提高破碎效果就要增加刀具破巖信息熵的結(jié)論